巧用現代化設備探究分子運動

王文慧

摘要：通過實驗證明分子是不斷運動的是形成化學微粒觀的重要途徑。初中化學教材中研究分子運動現象的實驗存在不足之處，針對不足進行反思并提出針對性的解決方案。本實驗采用數字化傳感器設備，不僅能通過數據曲線直觀感受構成物質的分子在不斷的運動，而且可以探究溫度，分子種類等對運動速率的影響。該實驗操作簡單，環保便捷，實驗時間短，并可探究多因素對分子運動的影響，可以顯著提高教學效果。

關鍵詞：數字化傳感器;分子運動;實驗創新

文章編號：1008-0546（2022）02x-0089-02

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02x.023

一、問題的提出

分子運動現象是人教版九年級化學教材上冊第三單元“物質構成的奧秘”課題一“分子和原子”的內容，是帶領學生進入微觀世界的重要實驗。教材通過濃氨水使酚酞溶液變紅這一現象，將宏觀的事實微觀化解釋，不僅能培養學生的觀察能力，還能激發學生抽象思維意識，想象氨分子的存在和分子運動的微觀本質，把微觀知識形象化，有助于學生形成正確的微粒觀。

但利用教材中的方法進行實驗探究時，會遇到一些問題如：在教室進行演示實驗，會有較多刺激性氣體逸散，污染教室空氣，學生難免恐慌，也影響師生健康;為達到所期效果，往往用量較多，且不可重復利用，造成大量浪費;實驗時間長且只有靠前同學觀察到變紅現象，課堂教學效率比較低等。

針對以上諸多不足，許多化學教師對該實驗進行了多種多樣的微型化改進和創新，也取得了良好的教學效果[1，2]。但這些大都是基于傳統的物質間反應后產生的顏色變化來逐一推導出微粒的運動性。本文則借助現有數字化傳感器設備，即時收集數據，自動生成曲線，對實驗進行深入的研究、創新[3]。從環保、簡單、直觀、高效等角度出發，設計出相對封閉的實驗體系，簡化操作步驟，通過數據直觀反應構成物質的微粒運動情況且還能同時探究溫度，分子種類等對運動速率的影響，具體實驗如下。

二、實驗裝置

1.儀器與藥品

實驗儀器：二氧化碳傳感器和氧氣傳感器、數據采集器、計算機、自制容器。

實驗藥品：市售干冰、醫療用氧。

2.改進后的裝置

在自制的玻璃容器中分別插入氧氣傳感器和二氧化碳傳感器，連接數據采集器和計算機，進行數據采集，如圖1。

三、實驗步驟

1.探究分子運動現象

實驗一、在裝滿CO2的容器中插入氧氣傳感器，在裝滿O2的容器中插入二氧化碳傳感器，連接傳感器、數據采集器和計算機，待數值穩定后，將盛有O2的容器（在上方）迅速與盛有CO2的容器（在下方）連通，如圖1右，觀察實驗數據變化。

實驗說明：由于二氧化碳傳感器測量的極限值為10%左右，氧氣傳感器測量的極限值為32%左右，所以采用交互測量的方式。

2.探究影響分子運動速率的因素

實驗二、在裝滿CO2的容器（在下方）中插入氧氣傳感器，在裝滿O2的容器（在上方）中插入二氧化碳傳感器，連接傳感器、數據采集器和計算機，待數值穩定后，將盛有O2的容器（在上方）迅速與盛有CO2的容器（在下方）連通，并將實驗裝置進行加熱，觀察實驗數據變化。

四、實驗現象與分析

1.探究分子運動現象實驗一：數據如圖2。

現象：實驗開始后，兩物質曲線上升，說明

對應容器中O2和CO2含量逐漸增高。

分析：構成物質的微觀粒子在不停的運動。

2.探究影響分子運動速率的因素

實驗二：數據如圖3。

現象：實驗開始后，兩物質濃度曲線上升。對比實驗一，氧氣在上方，加熱時O2和CO2濃度增高到相同數值時比不加熱時快。

分析：溫度越高，分子運動速率越快。

五、實驗反思

1.相同條件下，二氧化碳的密度比氧氣的密度大，密度大的氣體在上，結果如何？

實驗三：連接傳感器、數據采集器和計算機，待數值穩定后，將盛有O2的容器（在下方）迅速與盛有CO2的容器（在上方）連通，觀察實驗數據變化。數據如圖4。

現象：氣體相對分子質量越大的在上，測得的兩氣體混合達到同樣極限濃度所用時間越短，速率越快。

分析：與實驗一對比發現，相對分子質量大的氣體在上方時，在重力作用下，分子運動速率明顯加快。

2.兩氣體上下混合時，高度懸殊大，比較分子運動以及速率因素復雜，若盡可能排除重力差，即平放又會怎么樣？

實驗四：連接傳感器、數據采集器和計算機，待數值穩定后，盛有O2的容器迅速與盛有CO2的容器平放連通，觀察傳感器顯示的實驗數據，裝置如圖1左，數據如圖5。

現象：平放連通時，相同時間內，氧氣濃度變化比二氧化碳濃度變化快（如圖5）。

分析：以上四個實驗中，在相同時間內都是氧氣濃度變化更快，說明相對分子質量越小，分子運動速率越快。

六、實驗結論

以上實驗可以得出以下結論：

1.分子在不斷運動;

2.說明溫度越高，分子運動速率越快;

3.分子種類不同，運動速率不同，相對分子質量越小，分子運動速率越快。義務教育階段的化學教育就是要引導學生學會從在原子、分子水平上認識物質，認識物質世界的變化規律，形成化學的基本觀念，培養學生的思維能力和實踐能力，提高學生的科學素養[4]。本實驗打破傳統采用物質反應的現象觀察，通過直觀的數據來反應構成物質的微粒的運動情況。該實驗不僅可以驗證構成物質的微觀粒子的運動性，還可以探究影響分子運動速率的因素，一舉多得，提高資源利用率。實驗中利用傳感器對物質濃度變化進行動態跟蹤，增強結論的說服力，并有助于培養學生的變化觀念和平衡思想、宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知核心素養。在實驗中用到的干冰與醫療用氧將實驗藥品生活化，實驗裝置簡單，與教材的實驗形成對比，引導學生形成節約、保護環境等觀念，落實化學核心素養中科學態度與社會責任的培養。

參考文獻

[1]周夢茜.景一丹.分子運動現象的實驗裝置設計[J].化學教與學，2019（9）：96-98.

[2]郭濤.巧設變式實驗裝置探究分子運動現象[J].化學教與學，2019（9）：72-74.

[3]高偉.數字化實驗在化學概念教學中的應用[J].化學教與學，2021（1）：83-84.

[4]楊劍春等著.基于學科核心素養的教學評價引領[M].南京：南京師范大學出版社，2019.

1763500520312